【正文】 用價(jià)值的材料始于1808年，直到1886年鎂合金才在德國(guó)開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)[9]。美國(guó)和德國(guó)政府也參與進(jìn)來(lái)，組織了一系列的攻關(guān)項(xiàng)目[911]，目標(biāo)是減輕汽車(chē)重量，節(jié)省能源。美國(guó)制定了“PNGV”（新一代交通工具伙伴）的合作計(jì)劃，其目標(biāo)是生產(chǎn)出消費(fèi)者可承受的每100Km耗油3L的轎車(chē)，且整車(chē)至少80%以上的零部件可以回收。我國(guó)是一個(gè)摩托車(chē)的生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國(guó)，也是一個(gè)潛在的汽車(chē)生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。 1997年世界鎂合金用量最大的10個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè) Top ten magnesium alloy usage of automobile manufacturing enterprisesin the world in 1997鎂 合 金 用 量 最 大 的10 個(gè) 汽 車(chē) 企 業(yè)鎂 合 金 用 量 最 大 的 10 種 車(chē) 型汽車(chē)企業(yè)鎂合金用量/t鎂合金車(chē)型鎂合金用量/t福特17 500GM Full Sized Vans Savana amp。繼而法國(guó)的斯卡爾公司研制出稱(chēng)之為3C(Continuous Caster Between Cylinders)法的雙輥水平式鑄軋機(jī)。MDTRC適用于凝固時(shí)間長(zhǎng)的各種鋁合金，如A2128合金、A3003合金等。從有色金屬鑄軋板帶技術(shù)裝備到生產(chǎn)工藝我國(guó)已經(jīng)完全掌握了該項(xiàng)技術(shù)．生產(chǎn)出的設(shè)備和產(chǎn)品均能達(dá)到世界先進(jìn)水平。Ha[25]等應(yīng)用的是非靜態(tài)模型，描述了伴隨凝固過(guò)程速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化，假設(shè)了液相的流動(dòng)為層流。Manish GUPTA和Yogeshwar SAHAI[33]針對(duì)鋼的雙輥鑄軋過(guò)程建立了二維有限元數(shù)學(xué)模擬，假設(shè)鋼液為不可壓縮的牛頓流體，對(duì)連續(xù)方程、湍流NavierStokes方程及能量方程進(jìn)行了二維簡(jiǎn)化，并預(yù)測(cè)了輥速、輥的傳熱系數(shù)及鋼液的過(guò)熱度與帶鋼厚度之間的相互關(guān)系。另一方面，我國(guó)對(duì)鎂合金的研究和應(yīng)用更顯薄弱，大部分生產(chǎn)工藝技術(shù)都被國(guó)外控制，對(duì)我國(guó)企業(yè)實(shí)行技術(shù)封鎖。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和數(shù)值技術(shù)的不斷成熟，利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬可以解決上述難題。(5) 可提供一個(gè)“數(shù)值試驗(yàn)”的場(chǎng)所，代替現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物進(jìn)行開(kāi)發(fā)性試驗(yàn)，以節(jié)省費(fèi)用。(4) 通過(guò)軋卡實(shí)驗(yàn)得到一定條件下的鑄軋區(qū)凝固樣品，研究其組織特點(diǎn)。流場(chǎng)中有三個(gè)基本控制方程，分別基于控制容積內(nèi)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒。湍流最主要的特征是脈動(dòng)。在鑄軋區(qū)前端，熔體溫度高，液體的粘度小，Reynolds較大；在鑄軋區(qū)后端，接近軋輥出口處，熔體溫度低，粘度相應(yīng)變大，Reynolds較小。（3）湍流封閉模型為了使所要求解的方程組封閉，我們將添加關(guān)于計(jì)算湍流粘度μt的新方程。這里的為脈動(dòng)動(dòng)能的普朗特?cái)?shù)，工程計(jì)算中取。(2)對(duì)流項(xiàng)表達(dá)式流場(chǎng)可以理解為流線的集合，速度的方向始終是沿著流線的切線方向，所以對(duì)流項(xiàng)可以用流線的速度來(lái)表示。在氣體中，導(dǎo)熱是氣體分子規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。對(duì)流換熱的基本計(jì)算式是牛頓冷卻公式，即： ()式中為對(duì)流換熱量(W)；為與液體直接接觸的壁面面積(m2)；為壁面與流體間的溫度差(℃)；為比例系數(shù)，稱(chēng)為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱(chēng)放熱系數(shù)），其意義是指：當(dāng)流體與壁面之間的溫差為1℃時(shí)，單位壁面面積每秒鐘所能傳遞的熱量，單位是W/(m2℃)。1884年，玻爾茲曼（Boltzman）從熱力學(xué)原理出發(fā)，給出黑體在單位時(shí)間內(nèi)向外發(fā)射的輻射能表達(dá)式，即： ()此式為斯蒂芬－玻爾茲曼定律。稱(chēng)作內(nèi)熱源的發(fā)熱率，或內(nèi)熱源強(qiáng)度。常見(jiàn)的邊界條件可以分為三類(lèi)：(1) 第一類(lèi)邊界條件第一類(lèi)邊界條件是物體邊界上的溫度為已知，用公式表示為： ()或 ()式()和()中，為物體邊界，的方向是逆時(shí)針?lè)较颍粸橐阎诿娴臏囟龋ǔ?shù)）；為已知壁面的溫度函數(shù)（隨時(shí)間位置而變）。本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)鎂合金鑄軋過(guò)程中的鑄軋區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文針對(duì)鎂合金鑄軋過(guò)程中鑄軋區(qū)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文主要是研究AZ31鎂合金在鑄軋過(guò)程中鑄軋區(qū)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布變化情況。在求解時(shí)務(wù)必保證施加正確的邊界條件。在求解熱－流問(wèn)題制定求解策略時(shí)，最有效的方法取決于流體物性依賴于溫度的程度。為了使流場(chǎng)計(jì)算能夠收斂，ANSYS提供了幾個(gè)有助于收斂和求解穩(wěn)定的工具：(1) 松弛因子松弛因子是一個(gè)其值介于0和1之間的小數(shù)，它表示舊結(jié)果與附加在舊結(jié)果上以形成新結(jié)果的最近一次計(jì)算量之間的變化量。該溫度經(jīng)驗(yàn)性的取300℃；而對(duì)流換熱系數(shù)施加方式為：首先在整個(gè)接觸面上施加一個(gè)恒定的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行粗略計(jì)算，可得到鑄軋區(qū)凝固終點(diǎn)的大致位置，然后以此凝固終點(diǎn)為界線，在接觸面上完全凝固的部分設(shè)為較小的對(duì)流換熱系數(shù)，在液相及兩相區(qū)面上設(shè)較大的對(duì)流換熱系數(shù)。所以計(jì)算中采用的修正后的AZ31鎂合金隨溫度變化的比熱，： AZ31鎂合金不同溫度下的比熱Table Specific heats of AZ31 magnesium alloy in different temperature溫度/℃300400500565566600632635700800比熱/Jm1K11148122413001349648665126536116812171293應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行鎂合金鑄軋區(qū)的數(shù)值模擬時(shí)，求解域中需要設(shè)置初始條件以及邊界條件。 有限元模型Fig. Finite element model本文主要模擬的是鑄軋區(qū)內(nèi)的鎂熔體在不同的澆注溫度，不同的鑄軋速度、不同的輥帶間對(duì)流換熱系數(shù)條件下，其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況。（5）因軋制的塑性變形熱與鎂液本身帶入的熱量相比數(shù)量級(jí)很小，將其忽略不計(jì)。根據(jù)上述三種邊界條件，考慮到更能與實(shí)際情況相符合，本文在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，應(yīng)用了第一類(lèi)邊界條件和第三類(lèi)邊界條件。鑄軋中的傳熱，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射同時(shí)存在的復(fù)雜凝固傳熱問(wèn)題，基于實(shí)際條件，考慮到輻射傳熱特別微弱，可以將其忽略到，故只考慮熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，其微分控制方程如下： ()式中為密度；為比熱；為溫度；為時(shí)間；為單位體積熱生成率；為方向上的熱傳導(dǎo)率；為方向上的質(zhì)量傳輸速度。熱能產(chǎn)生項(xiàng)發(fā)生于控制體大內(nèi)部，其大小正比于控制體的容積。實(shí)驗(yàn)表明，物體的輻射能力與溫度有關(guān)。(2) 熱對(duì)流熱對(duì)流僅能發(fā)生在液流體中，熱量的傳遞與流體的流動(dòng)密切相關(guān)，并且由于流體中存在著溫度差，故流體中的導(dǎo)熱也必然同時(shí)存在。(1) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)熱，它是指直接接觸的物體各部分之間熱量傳遞的現(xiàn)象。 ()式中 —瞬時(shí)和對(duì)流項(xiàng)系數(shù) —擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù) —源項(xiàng) 。(2) 單方程模型該模型是設(shè)想湍流粘性系數(shù)與脈動(dòng)特性速度及脈動(dòng)的特性尺度的乘積有關(guān)。湍流模擬的任務(wù)就是通過(guò)表達(dá)式來(lái)尋找這些未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)，使方程封閉。由式()，對(duì)于鑄軋過(guò)程，Reynolds介于102～104之間。Reynolds的表達(dá)式為： ()式中 —Reynolds數(shù)—水力學(xué)直徑對(duì)于Re＜102時(shí)，液體流動(dòng)過(guò)程中主要是粘性力起作用，慣性力和粘性力相比可以忽略不計(jì)，液體流動(dòng)為層流流動(dòng)；Re值在102～103數(shù)量級(jí)之間時(shí)，兩種力都需考慮，液體流動(dòng)介于湍流流動(dòng)和層流流動(dòng)之間；當(dāng)Re＞103時(shí)，粘性力可以忽略，液體的流動(dòng)為湍流流動(dòng)。對(duì)每一個(gè)控制容積積分每一個(gè)微分方程，應(yīng)用表示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間自由度變化的分段分布關(guān)系來(lái)計(jì)算所要求的積分。(2) 研究不同的鑄軋速度（輥速不同）對(duì)鑄軋區(qū)中的鎂熔體在鑄軋過(guò)程中溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。(3) 對(duì)危險(xiǎn)的、超越正常條件的過(guò)程進(jìn)行模擬，以獲取試驗(yàn)測(cè)量無(wú)法得到的數(shù)據(jù)。然而，鑄軋是一種較為復(fù)雜的金屬凝固過(guò)程，其鑄軋工藝參數(shù)，如澆注溫度、鑄軋速度、冷卻強(qiáng)度及初始輥縫值等參數(shù)的可控制范圍窄，鑄軋過(guò)程的穩(wěn)定性難以控制，鑄軋過(guò)程中薄帶成形和表面質(zhì)量對(duì)熔池內(nèi)液體流動(dòng)、溫度分布及鑄軋輥與熔池之間的相互作用的變化十分敏感。一方面，我國(guó)的原鎂質(zhì)量差，出口缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的鎂在國(guó)內(nèi)的消耗量又很少，只能作為初級(jí)原料低價(jià)出口，屬典型的資源出口型工業(yè)。Mo和Hoyda[31]在應(yīng)用商業(yè)軟件FIDAP對(duì)鋁的鑄軋過(guò)程中進(jìn)行了模擬，假設(shè)了鋁液為非牛頓流體。此外，還編制了自動(dòng)網(wǎng)格劃分和數(shù)據(jù)形成預(yù)處理的通用程序，并采用有限元法、矩陣和直接差分法等各種數(shù)值計(jì)算方法對(duì)鑄帶的凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[23]。經(jīng)過(guò)多年的迅猛發(fā)展，到目前為止，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我同累計(jì)投產(chǎn)的雙輥式板帶鑄軋機(jī)多達(dá)100多套。(Melt Drag Twin Roll Caster)的新的快速鑄軋方法。1951年美國(guó)的亨特、道格拉斯(Hunter、Douglas)兩家公司聯(lián)合，將失敗的貝塞麥(Bessemer)方法重新進(jìn)行了研究，將生產(chǎn)方式上注式改為下注式，并改善廠兩輥的冷卻方式，采用了可控制金屬液靜壓力爐前箱，終于在1955年順利地鑄軋出寬型薄鋁帶還、創(chuàng)立了雙輥式鑄軋機(jī)，所以亦稱(chēng)Hunter式鑄軋機(jī)。除壓鑄鎂合金被大量應(yīng)用在交通工具、3C產(chǎn)品上外，變形鎂合金應(yīng)用也開(kāi)始受到重視，并隨著鎂合金連接和表面處理等技術(shù)的不斷完善，使之在交通工具、3C產(chǎn)品上被應(yīng)用諸如摩托車(chē)、自行車(chē)、殘疾人用車(chē)、手提行李車(chē)，以及一些體育和生活工具中的應(yīng)用也越來(lái)越顯示出美好的前景。在歐美國(guó)家中，各國(guó)的汽車(chē)廠商正極力爭(zhēng)取采用鎂合金零件的多少作為汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)先的標(biāo)志。發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在正在大力度地開(kāi)發(fā)鎂基材料，鎂基材料被認(rèn)為是最具開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”[8,12,13,14]。鎂合金壓鑄件最早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代中期的德國(guó)，到現(xiàn)在用鎂壓鑄件來(lái)減輕汽車(chē)重量的努力至少已有80年的歷史。這些合金的強(qiáng)度比一般鎂合金高得多，甚至高于一般鋁合金的強(qiáng)度?？梢?jiàn)，我國(guó)對(duì)鎂合金標(biāo)記的特點(diǎn)是按成形工藝劃分鎂合金的。由于ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)記既適用于鎂合金也適用于鋁合金，因此既使像鐵那樣在鎂合金中僅以雜質(zhì)形式出項(xiàng)的元素，但考慮到是鋁合金中的元素。(8) 鎂合金尺寸穩(wěn)定，收縮率很小，不易因環(huán)境的改變而改變(相對(duì)于工程材料)。純鎂的主要用途是配制鎂合金及其他合金。1熵值Jmol1K1177。210(627176。106(651~800176。C)熱性質(zhì)熔點(diǎn)176。純鎂的熔點(diǎn)651℃，(是鋼的1/4，鋁的2/3)，～。28第4章 數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與分析28237 國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)況i中文摘要（2）隨著鑄軋速度的提高，鑄軋區(qū)內(nèi)的液穴長(zhǎng)度增大，液固兩相區(qū)增大，鑄帶表面溫度升高，凝固殼變薄，凝固終點(diǎn)位置向軋制出口端靠近。本文通過(guò)大型模擬軟件ANSYS研究了不同的澆注溫度、不同的鑄軋速度以及不同的輥帶間對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)鑄軋區(qū)內(nèi)鎂熔體溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響；通過(guò)軋卡實(shí)驗(yàn)得到一定條件下的鑄軋區(qū)凝固樣品，并觀察其凝固組織；論文得到了如下結(jié)果：（1）隨著澆注溫度的升高，鑄軋區(qū)內(nèi)的整體流動(dòng)趨勢(shì)差別不大，各處溫度均有所升高，液穴長(zhǎng)度增大，液固兩相區(qū)增大，軋輥咬入端附近兩相區(qū)凝固殼變薄，凝固終點(diǎn)位置靠近軋制出口端，出口板帶溫度也升高。iiABSTRACT5 板帶鑄軋技術(shù)的提出與發(fā)展現(xiàn)狀[20]9182739鎂及其合金是常用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種。C 時(shí)：1650(固態(tài))，1580(液態(tài))體積收縮%(液體凝固)，5(固體冷卻：650~20176。C1380180。C)。106T2固體熔化焓Jmol1177。純鎂單晶體的臨界切應(yīng)力只有(48~49)105Pa，純鎂多晶體的強(qiáng)度和硬度也很低，因此都不能直接用做結(jié)構(gòu)材料。(7) 鎂合金機(jī)加工性很好，外觀美麗，質(zhì)感好，可做筆記本電腦，照相機(jī)等部件的外殼。鋁、。例如5號(hào)航空鑄造鎂合金用ZM5表示。近來(lái)，結(jié)合新工藝方法，一些新型鎂合金體系得以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如快凝(RSP)合金，如EA55RS；非晶鎂合金，如著名的三元合金MgMLn，其中M為Cu或Ni，L